
- •Московский Государственный Институт Электронной Техники (Технический Университет)
- •Дипломный проект студента группы мп-52 Титова в. В.
- •Глава 1.
- •Введение.
- •Введение.
- •Структурная схема многоканального структурно-модульного устройства измерения и стабилизации температуры.
- •Алгоритм работы
- •Процедура настройки структурно-модульного устройства измерения и стабилизации температуры.
- •Структурная схема многоканального микропроцессорного устройства измерения и стабилизации температуры.
- •Дипломный проект студента группы мп-52 Титова в. В.
- •Разработка структурной схемы.
- •Выбор элементной базы. Микропроцессор.
- •Общее описание.
- •Краткая характеристика.
- •Особенности аналоговых периферийных устройств.
- •Особенности цифровых периферийных устройств.
- •Дополнительные возможности микроконтроллера.
- •Кмоп технология.
- •Память.
- •Основные свойства.
- •Функциональное описание.
- •Регистры.
- •Индикаторы.
- •Блок питания.
- •Мультиплексоры.
- •Усилитель.
- •Генератор тока.
- •Принципиальная электрическая схема платы измерений.
- •Принципиальная электрическая схема платы микроконтроллера.
- •Принципиальная электрическая схема платы индикации.
- •Блок-схема алгоритма программы.
- •Сборочные чертежи плат.
- •Сборочный чертеж устройства.
- •Назначение элементов лицевой панели.
- •Подготовка к работе.
- •Порядок работы.
- •Техническое обслуживание.
- •Правила хранения.
- •Транспортирование.
- •Возможные неисправности и методы их устранения.
- •Исследование точностных характеристик. Общие замечания.
- •Теоретическая оценка погрешности измерения.
Теоретическая оценка погрешности измерения.
Погрешность измерения определяется параметрами аналоговой схемотехники измерительных каналов, то есть погрешностью аналоговой платы, погрешностью преобразования аналоговых сигналов в цифровой код и погрешностью алгоритма или метода вычисления значения температуры в микроконтроллере.
Исследованию точностных характеристик подлежат следующие блоки измерительной платы:
схема вкючения датчиков;
блок мультиплексирования;
усилительный каскад;
аналогово-цифровой преобразователь.
Исходными данными являются номинал источника тока I, величина опорного сопротивления Rоп.
В результат измерения температуры в каждом канале датчика вносят вклад четыре величины измерения напряжений в измерительных каналах. Выражения в измерительных каналах выглядят следующим образом:
U0=(Iст + DI)(2r +
U1=(Iст + DI)(r + Rт);
U2=(Iст + DI)(R0);
U3=( + DI)(r0)
где Iст - выходной ток стабилизатора, образующего генератор тока,
DI - нестабильность генератора тока,
r - сопротивление соединительных проводов,
Rт - сопротивление датчика температуры,
R0 - эталонное сопротивление,
r0 - эквивалентное сопротивление общей шины.
Измеряемые напряжения пронумерованы в соответствии с нумерацией каналов мультиплексора. Каждое из этих напряжений подвергается усилению и аналого-цифровому преобразованию в соответствии с формулами:
Ui1=UiKус,
fi=Ui(i1/i2)(1/RинтС),
где Kус - коэффициент усиления усилительного каскада,
Ui1 - выходное напряжение усилительного каскада по измерительному каналу,
i,i1,i2 - токи внутренних генераторов ПНЧ,
Rинт - интегрирующее сопротивление ПНЧ,
С - емкость времязадающего конденсатора ПНЧ,
fi - выходная частота ПНЧ для канала i.
Преобразование частотного сигнала в двоичный код производит микроконтроллер по формуле:
N2i=fi´Dt,
где Dt - временной интервал счета импульсов fi.
Опрос одного датчика заканчивается, когда получены значения кодов для всех четырех измерительных каналов, после чего вычисляется значение кода температуры:
N2t=(2N21 - N20 - N23)/(N22 - N23).
Подставляя вышеприведенные соотношения в эту формулу, можно видеть, что параметры цепей ПНЧ, усилителя, при условии, что временной интервал преобразования частоты в двоичный код является константой, сокращаются. Прерывание таймера отсчета этого временного интервала срабатывает с точностью 1 мкс, соответствующей длительности цикла исполнения инструкции микроконтроллером. Максимальная частота при измерении сигналов, снимаемых с датчика составляет 40 кГц, то есть период импульса равен 25 мкс. Этого времени достаточно для входа в прерывание и остановки счетчика частоты. Таким образом устраняется влияние нестабильности интегрирующей цепи и параметров ПНЧ, резистивной цепи операционного усилителя, а также опорного напряжения.
Полученное выражение сводится к отношению напряжений измерительных каналов:
N2t=(2U21 - U20 - U23)/(U22 - U23).
Подставляя выражения для напряжений получим, что результирующее значение температурного кода не зависит от стабильности генератора. Таким образом температурный код прямо пропорционален сопротивлению температурного датчика с коэффициентом пропорциональности, обратным сопротивлению опорного резистора:
N2t=Rt/Rоп.
Перейдем к вопросу исследования погрешности измерения. Величина погрешности зависит от погрешности задания опорного сопротивления и от погрешности измерения резистивным датчиком температуры, а также от погрешности, вносимой мультиплексором при переключениях измерительных каналов. Необходимо учесть также погрешность квантования при определении кода.
dN2t=dN2 + dRоп + dRt + dKмс + dКдш.
Погрешность квантования является методической. При вычислении кода для счета импульсов частоты используется 16-разрядный счетчик, поэтому погрешность квантования равна:
dN2=1/216=0.0015%.
погрешность сопротивления состоит из допуска, температурного дрейфа, коэффициента старения и носит случайный характер. Класс точности температурного датчика 0.1%, опорного резистора - 0.05, температурный дрейф зависит от ТКС = 75´10-6 1/°С и применительно к диапазону рабочих температур 60 °С составит 0.045%, коэффициент старения - 0.05%.
dRоп=dRдоп + dRt°C + dRt,
dRt=dRtдоп + dRtt.
Погрешности мультиплексора и демультиплексора являются систематическими. Мультиплексор измеряемых напряжений можно представить в виде эквивалентного резистивного делителя с величинами сопротивлений плеч, равными соответственно rклз и rклр, то есть сопротивлениям замкнутого и разомкнутого ключей. Передаточный коэффициент мультиплексора составит:
Kms=rклр/(rклр + rклз),
DKms=1 - rклр/(rклр + rклз)= rклз/(rклр + rклз),
dKms=DKms/ Kms=rклз/rклр.
В результате имеем выражение для погрешности измерения:
подставляя значения в которые, получим:
dN2t=0.002 + 0.01 + 0.015 + 0.12 + 4´0.052 = 0.17 < 0.2%.
Таким образом по результатам теоретического расчета прибор можно отнести к классу точности 0,2.